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磁性高分子微球的制备、表征及其用于固定化酶的性能研究

李艳利  
【摘要】: 随着生物医学和生物工程相关领域研究的发展,功能性聚合物微球的制备越来越来受到人们的关注,探索聚合物微球的功能化、智能化以及将这些微球应用于药物释放、生物大分子分离、生物传感和固定化酶等方面是聚合物微球一个重要研究的方向。磁性聚合物微球作为一种新型的功能材料在近几十年来得到了充分的发展。磁性聚合物微球是指通过适当的方法使聚合物与无机磁性粒子结合形成具有一定磁性及特殊结构的复合微球。与常规微球相比,具有超顺磁性的磁性聚合物微球能够在外磁场的作用下迅速从混合物中分离出来,这为生物分离和检测方法提出了新的思路,也给功能材料的研发带来了新的发展方向。 在这种研究背景下,本文的研究工作主要围绕着功能性磁性聚合物微球的制备、表征及其用于固定化酶载体的性能研究展开,具体涉及四氧化三铁磁性纳米粒子(Fe_3O_4)的制备及其表面改性、核-壳结构的磁性二氧化硅复合粒子(Fe_3O_4/SiO_2)的制备以及具有超顺磁性的聚电解质微球的制备,最后,将这种功能性磁性聚合物微球用于固定化酶载体的性能研究,通过将现代纳米材料技术和生物固定化技术相结合,研究开发新型的固定化酶,为生物酶营造一种生物友好的微环境,使酶的活性提高且易于分离。具体来说,取得以下几方面的结果: 1.采用分步升温加热的化学共沉淀方法,制备了具有超顺磁性的四氧化三铁纳米粒子,粒径大约为8nm。并利用X-射线衍射(XRD)、红外(FT-IR)、透射电镜(TEM)、振动样品磁强计(VSM)等对产物进行了表征,证实了我们制备的四氧化三铁纳米粒子为立方尖晶石结构的纳米晶体,且具有超顺磁性的球形颗粒。 2.使用多元酸(柠檬酸)成功地对四氧化三铁纳米粒子进行了表面改性,制备了电荷稳定的磁流体。利用改性后的磁流体作为种子通过改进的St(?)ber法制备了具有典型核-壳结构的Fe_3O_4/SiO_2复合粒子,发现通过控制前驱体正硅酸乙酯(TEOS)的用量可以控制Fe_3O_4/SiO_2复合粒子的形态和粒径,通过TEM对其进行观察,可以看出随着TEOS用量的增大,复合粒子的粒径逐渐增大,并且粒径的增加幅度逐渐出现减小趋势。进一步使用FT-IR,XRD和VSM对复合粒子的组成和磁性能进行了表征。 3.利用逐层自组装的方法(layer-by-layer)制备了Fe_3O_4/SiO_2-coated chitosan磁性复合微球,该微球粒径为纳米级,水溶液中分散性好,磁响应性能较好,并以该磁性微球为载体固定化果胶酶。分别研究了pH和温度对固定化果胶酶活性的影响,固定化果胶酶的存储稳定性和动力学参数。研究发现,当固定化果胶酶的酶载量高达284.7mg/g时,载体本身仍能保持较好的稳定性。特别是固定化果胶酶在相当大的pH范围内仍能保持较高的酶催化活性。由于吸附果胶酶的浓度大,导致固定化果胶酶的动力学参数中的米氏常数(Km)大于自由酶的米氏常数(Km)。 4.通过原子转移自由基聚合的方法(ATRP)在Fe_3O_4/SiO_2复合粒子表面接枝“聚电解质刷”(PSStNa),得到超顺磁性的Fe_3O_4/SiO_2-g-PSStNa聚电解质磁性复合材料;接着采用静电沉积的逐层自组装法,利用带相反电荷的物质在纳米级Fe_3O_4/SiO_2-g-PSStNa上逐层交替吸附天然高分子壳聚糖,制备了Fe_3O_4/SiO_2/PSStNa/Chitosan磁性复合微球,该微球同时具有良好的超顺磁性和生物相容性,是作为固定化酶的很好的载体。以该磁性微球为载体固定化果胶酶,研究发现,当固定化果胶酶的酶载量高达318.6mg/g时,载体本身仍能保持较好的稳定性。特别是固定化果胶酶在pH为3.0-4.5范围内仍能保持较高的酶催化活性。自由果胶酶和固定化果胶酶的半衰期分别是13.5d和30d。将固定化果胶酶储存一个月后仍能保持高达49.7%的酶催化活性,


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